Tesis:
A quantitative study of myocardial motion and deformation during early mouse morphogenesis
- Autor: RAIOLA, Morena
- Título: A quantitative study of myocardial motion and deformation during early mouse morphogenesis
- Fecha: 2023
- Materia: CONFIDENCIAL - VERSIÓN PUBLICABLE
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76747/
- Director/a 1º: TORRES SÁNCHEZ, Miguel
- Director/a 2º: SANTOS Y LLEÓ, Andrés de
- Resumen: La morfogénesis del corazón es un proceso fascinante en el que unas pocas células se transforman en un órgano de bombeo plenamente funcional. Este proceso complejo implica varias etapas de desarrollo, durante las cuales las células se multiplican y reorganizan, dando forma gradualmente al corazón. Estos cambios implican modificaciones en la expresión de genes, aspectos bioquímicos y morfológicos que interactúan de manera organizada en diferentes escalas de tiempo y espacio. Aunque la cardiogénesis ocurre de manera robusta y reproducible, durante el desarrollo embrionario, la forma del corazón puede variar entre especímenes.
Gracias a los avances recientes en la física de la microscopía y al desarrollo de proteínas fluorescentes que indican los patrones espaciales de expresión génica, ahora podemos observar el desarrollo del corazón en vivo. Esta técnica de imágenes nos proporciona datos tridimensionales de alta resolución en diferentes momentos, ofreciendo una representación digital de la morfología del corazón. Sin embargo, estos datos requieren técnicas novedosas de procesamiento y análisis de imágenes para extraer información relevante.
La cuantificación de la deformación y la dinámica involucradas en el proceso de formación del corazón es uno de los desafíos más relevantes en el campo de la biología del desarrollo. Sin embargo, debido a la complejidad del proceso y a las limitaciones para obtener imágenes en vivo del desarrollo cardiaco con suficiente penetración en el tejido y a lo largo de todo el proceso, existe un vacío de conocimiento sobre la deformación subyacente del tejido cardiaco durante la morfogénesis temprana. Esta tesis doctoral aborda este desafío proponiendo una metodología sistemática para cuantificar y comparar los patrones de deformación tisular, utilizando perfiles de movimiento estimados a partir de múltiples imágenes de microscopía fluorescente 3D en vivo. La metodología propuesta se centra en la cuantificación de la cinemática del movimiento, específicamente la deformación y las tensiones, sin tener en cuenta las fuerzas que causan dicho movimiento. Esto se logra mediante un análisis no invasivo directamente en las imágenes en vivo individuales. Para alinear los perfiles de movimiento de diferentes especímenes a lo largo del tiempo, la metodología incorpora un sistema de estadificación que sincroniza las imágenes dinámicas con un modelo geométrico pseudodinámico previamente descrito de la morfología del tejido cardiaco durante la morfogénesis [1]. Para validar este enfoque, se compararon los movimientos celulares rastreados manualmente con los rastreos predichos por el modelo implementado. Los resultados obtenidos validaron esta estrategia para describir las trayectorias celulares y la deformación tisular a nivel celular.
Para abordar la variabilidad en la forma del corazón y facilitar la comparación de los patrones de deformación, la metodología incluye un proceso de registro que proyecta cada espécimen individual sobre la forma sincrónica del modelo geométrico, que sirve como referencia espacial. El modelo generado proporciona un perfil temporal de la deformación durante las diferentes etapas de desarrollo, incluyendo eventos instantáneos y la historia acumulada de la deformación. Estos mapas también permiten el análisis computacional de los destinos celulares o regionales. Los resultados obtenidos indican una marcada compartimentación de la expansión y compresión tisular, así como de la anisotropía de la deformación. Por lo tanto, aunque los cardiomiocitos en el primordio cardiaco temprano parecen homogéneos, en realidad muestran un comportamiento altamente heterogéneo regulado regionalmente.
En resumen, esta tesis doctoral presenta un marco metodológico exhaustivo para el análisis cuantitativo y la comparación de la deformación tisular en corazones en desarrollo. Los resultados de este estudio revelan una notoria compartimentación del tejido cardiaco, que incluye zonas diferenciadas de anisotropía y expansión. Gracias al uso de esta metodología, es posible identificar y seguir los cambios morfológicos en el tejido cardiaco en desarrollo, lo que permite inferir la dinámica de las células cardiacas durante el proceso de desarrollo. Esta caracterización proporciona una base crucial para el desarrollo de modelos mecánicos y, lo que es más importante, ofrece una comprensión más profunda de la complejidad del desarrollo del corazón.
ABSTRACT
Heart morphogenesis is a fascinating process wherein a few cells undergo transformation to form a fully functioning pumping organ. This intricate process spans multiple development stages, during which the cell population proliferates and rearranges gradually shaping the heart. This complexity arises from genetic, biochemical, and morphological changes that interact in a highly organized manner across different spatio-temporal scales. Despite cardiogenesis occurs in a robust and reproducible way, it gives rise to a variable heart shape when comparing different specimens.
Recent advances in microscopy physics and the development of fluorescent proteins capable of reporting spatial gene expression patterns, have enabled in vivo observation of heart development. This imaging process generates high spatio-temporal resolution 3D+t data, providing a digital representation of heart morphogenesis. However, extracting information from these data necessitates novel image processing and data analysis techniques.
Quantifying the deformation and dynamics involved in heart shaping is a significant and challenging area of developmental biology. However, due to the complexity of the process and the limitations in live imaging with sufficient tissue penetration and coverage throughout the entire process, there is a knowledge gap concerning the underlying heart tissue deformation during early morphogenesis. This PhD thesis addresses this challenge by proposing a systematic methodology to quantify and compare tissue deformation patterns, integrating motion profiles estimated from multiple 3D live fluorescent microscopy images. The proposed framework focuses on quantifying motion kinematics, specifically deformation and strains, without considering the forces causing such motion. This is achieved through a non-invasive analysis made directly on individual live images. To align the individual motion profiles of multiple specimens over time, the framework incorporates a staging system that synchronizes 3D live images with a previously described pseudodynamic ATLAS of tissue geometry during heart morphogenesis [1]. To validate this approach, we compared tracked cell motions with tracks predicted by the implemented method. The obtained results validated this strategy for description of cell trajectories and tissue deformation at cellular level.
To address the issue of heart shape variability and facilitate comparison of deformation patterns, the framework includes a registration process that projects each individual specimen onto the synchronous ATLAS shape, which serves as a spatial reference. This framework maps the temporal profile of deformation during different developmental stages, including both instantaneous events and cumulative deformation history. The generated maps also enable in silico fate map analysis at the cellular or regional level. The results indicate a sharp compartmentalization of tissue expansion/compression and deformation anisotropy. Therefore, although cardiomyocytes of the early cardiac primordium appear homogeneous, in fact they show a highly heterogeneous behaviour that is regionally regulated.
In summary, this PhD thesis presents a comprehensive framework for the quantitative analysis and comparison of tissue deformation in developing hearts. The study’s results reveal a remarkable compartmentalization of heart tissue, including distinct zones of anisotropy and expansion. Through the use of this framework, it becomes possible to identify and track morphological changes in developing heart tissue, providing inferred insights into the dynamics of heart cells during the development process. This characterization establishes a crucial foundation for the development of mechanical models and, more importantly, offers a deeper understanding of the intricate complexity of heart development.